Dynamické testování točivých strojů za provozu – efektivní doplněk k programu prediktivní údržby

Každý provozovatel točivých strojů kritických pro zachování spolehlivosti a bezpečnosti výrobního procesu nebo jakéhokoliv jiného provozu by měl zvážit optimální strategii prediktivní údržby založené na stavu stroje. Cílem takové strategie je jednak předcházet nekontrolovaným výpadkům motorů, generátorů a jiných pohonů za provozu a s nimi souvisejícím finančním ztrátám, ale zároveň také snižovat náklady na opravy a obnovu točivých strojů díky znalosti stavu zařízení v průběhu jeho životnosti.

Každý provozovatel točivých strojů kritických pro zachování spolehlivosti a bezpečnosti výrobního procesu nebo jakéhokoliv jiného provozu by měl zvážit optimální strategii prediktivní údržby založené na stavu stroje. Cílem takové strategie je jednak předcházet nekontrolovaným výpadkům motorů, generátorů a jiných pohonů za provozu a s nimi souvisejícím finančním ztrátám, ale zároveň také snižovat náklady na opravy a obnovu točivých strojů díky znalosti stavu zařízení v průběhu jeho životnosti. Mnozí provozovatelé točivých strojů se spoléhají na vibrodiagnostiku, jako na jedinou diagnostickou metodu v domnění, že měřením vibrací dokážou detekovat většinu potenciálních problémů. Jedná se však o mylnou domněnku. Ze studií a dostupných statistik je známé, že izolační problémy statorového vinutí se na všech poruchách podílejí u NN-motorů (do provozního napětí 4 kV) cca. 25 %, zatímco u VN-motorů a generátorů je tento podíl více jak 60 %.

Z těchto čísel jasně vyplývá, že elektrická diagnostika je spolu s vibrodiagnostikou nevyhnutnou součástí plánu prediktivní údržby kritických točivých strojů. Kromě tzv. statického testování izolačního stavu statorového vinutí ve vypnutém stavu (offline), o kterém bylo pojednáno v měsíčníku Elektro v čísle 4/2021, je dynamické testování za provozu (online) významným doplňkem plánu prediktivní údržby, který není mezi provozovateli tak široce známý a díky kterému je možné komplexně diagnostikovat fungování celého systému Napájení – Motor – Zátěž.

 
Obr. 1. Přímé připojení dynamického analyzátoru v rozváděči nn motoru (video)
Obr. 2. Připojení dynamického analyzátoru EXP4000 prostřednictvím připojovacího portu integrovaného v panelu motoru

Obr. 3. Hlavní obrazovka dynamického analyzátoru EXP4000 po ukončení analýzy – moduly Kvalita el. energie a Proudové spektrum signalizují žlutý nadlimitní stav

Tabulka 1. dává přehled o dostupných a nejčastěji používaných offline a online diagnostických metodách pro točivé stroje.

Tab. 1. Přehled nejčastěji používaných diagnostických metod na točivých strojích

Poznámky
* Pod statickým testováním rozumíme testovací sekvenci skládající se z následujících měření: odpor vinutí (případně doplněné o indukčnost a kapacitu); izolační odpor; zkouška stupňovitým napětím; rázová zkouška.
** Měření částečných výbojů (kterému se tento článek dále nevěnuje) je nejcitlivější metoda z hlediska včasné detekce degradace izolace statorového vinutí, přičemž je třeba rozlišovat tři způsoby měření částečných výbojů (ČV):
a) Konvenční offline měření ČV podle IEC 60270 při aplikaci AC napětí: detekuje degradaci hlavní drážkové izolace, případně výrobní nedokonalosti izolačního systému statorového vinutí.
b) Online měření nebo monitoring ČV: používá se jako účinná metoda včasného varování před degradačními procesy hlavní (drážkové) statorové izolace, především na hydrogenerátorech, turbogenerátorech a kritických vn motorech.
c) Detekce částečných výbojů po dobu rázové zkoušky ( jako součást statické testovací sekvence): doplněk k rázové zkoušce pro ještě vyšší citlivost detekce degradace mezizávitové izolace statorového vinutí v raném stádiu.

Co se přesně nazývá dynamickým testováním točivých strojů a jakou přidanou hodnotu přináší oproti ostatním metodám? Dynamický analyzátor točivých strojů měří za provozu 3 × napětí a 3 × proud na napájecích svorkách stroje po dobu určitého časového intervalu a z těchto měřených veličin pomocí sofistikované softwarové analýzy kalkuluje celou sadu parametrů analyzujících všechny tři hlavní komponenty systému: 1. napájení, 2. motor, 3. zátěž. Je však třeba rozlišovat mezi analyzátory kvality elektrické energie, které mají několik přídavných kalkulací parametrů pro motorové aplikace a mezi plnohodnotným dynamickým analyzátorem točivých strojů (jakým je přístroj Megger Baker EXP4000), kterého software je vyvinutý speciálně pro tuto aplikaci a který nabízí mnohem hlubší analýzu systému napájení – motor – zátěž. Urychlená degradace izolačního stavu statorového vinutí, kterou diagnostikujeme statickým testováním, je často jen důsledkem (symptomem) neoptimálních podmínek, jejichž původ je mimo samotný motor. Právě dynamické testování je jediným účinným nástrojem, který umožňuje identifikovat skutečnou příčinu přetěžování motoru. Typickým příkladem může být přehřívání motoru v důsledku nerovnováhy napětí na straně napájení a z toho vyplývající urychlená degradace statorové izolace. Platí, že každých 10 ° C nad maximální teplotu, pro kterou je motor navržen, zkracuje životnost izolace na polovinu. Navíc dynamická analýza umožňuje identifikovat také problémy na straně zátěže, které vibrodiagnostika neidentifikuje (viz případová studie 2 v tomto článku). U točivých strojů, jako jsou např. ponorná čerpadla, u kterých není možné provádět vibrodiagnostiku, je opět dynamická analýza jedinou aplikovatelnou online diagnostickou metodou v rámci plánu prediktivní údržby.

Připojení dynamického analyzátoru se na nn strojích (do 1 000 V) realizuje pomocí měřicích svorek a pomocí klešťových převodníků proudu. U točivých strojů s napájecím napětím nad 1 000 V se připojení dynamického analyzátoru realizuje na sekundární straně přístrojových transformátorů proudu a napětí, které jsou typicky osazené v rozváděči, resp. panelu motoru, přičemž do analyzátoru se zadají převodové poměry transformátorů pro kalkulaci reálných hodnot proudů a napětí. K dispozici je také připojovací port, který je možné permanentně integrovat do panelu točivého stroje a tak si zřídit komfortní připojovací bod pro dynamický analyzátor za účelem periodické dynamické diagnostiky bez potřeby otevírání nebo zásahu do panelu, resp. rozváděče. Do analyzátoru se před spuštěním měření zadají jmenovité štítkové hodnoty motoru (napětí, proud, výkon, otáčky).

Samotné měření typicky trvá jen 60 sekund, během kterých analyzátor zaznamenává hodnoty napětí a proudu a následně vykoná softwarovou analýzu. V případě, že to daná aplikace vyžaduje, může dynamický analyzátor měřit i v monitorovacím režimu po dobu více hodin nebo dokonce dní.

Analýza změřených dat v dynamickém analyzátoru EXP4000 je plně automatizovaná a po uplynutí záznamového intervalu (typicky 60 sekund) dostává uživatel na displeji přehled nejdůležitějších změřených a kalkulovaných parametrů: napětí a proud, včetně zobrazení průběhů; účiník; napěťová a proudová nerovnováha; frekvence; účinnost, točivý moment, zátěž (% a kW) a otáčky.

Kromě toho software ne základní obrazovce automaticky znázorní semaforové vyhodnocení pro sedm analyzačních modulů (některé uvedené moduly jsou volitelnou výbavou analyzátoru EXP4000): zelená = všechny parametry vyhovující; žlutá = alespoň jeden parametr pro daný modul nad optimální hranicí; červená = alespoň jeden parametr kriticky nad optimální hranicí; tyrkysová = pro daný modul nejsou definované hraniční hodnoty):

1. Kvalita elektrické energie a výkonu: komplexní analýza všech relevantních parametrů napájení motoru z hlediska kvality elektrické energie a výkonu.

2. Výkonová analýza: kalkulace účinnosti, zátěže (%), pracovního bodu motoru, stejně jako tzv. NEMA odlehčení a tzv. Effective service factor. Dva poslední jmenované parametry stanovují reálné efektivní zatížení motoru, zohledňující i přídavné zátěžové faktory, jako je nerovnováha napětí na straně napájení.

3. Proudová analýza: porovnání reálného proudového odběru se štítkovými hodnotami a kalkulace proudové nerovnováhy napájení jako přídavného zátěžového faktoru pro motor.

4. Spektrální analýza: identifikace mechanických poškození rotorových tyčí (na základě skluzových otáček motoru analyzátor vykalkuluje a označí ve frekvenčním spektru proudu postranní pásma, na kterých se objeví výrazné frekvenční příspěvky v případě poškození rotorových tyčí); dále spektra napětí a proudu pro všechny fáze (analýza proudového spektra může pomoci sidentifikací mechanických problémů složisky, stejně tak nerovnováhy na straně zátěže. Jako další funkci poskytuje tento modul tzv. demodulované spektrum točivého momentu pro analýzu dynamického chování systému motor – zátěž.

5. Analýza točivého momentu: zvlnění točivého momentu (fluktuace točivého momentu v čase) a frekvenčního spektra točivého momentu. Taková analýza je velmi účinný nástroj na identifikaci problémů s nerovnováhou zátěže (jako např. nevyrovnaný hřídel nebo převodovka, kavitace čerpadel, opotřebované listy vrtule apod.). Zejména na strojích s nízkými otáčkami vibrační analýza tyto problémy nemusí vůbec odhalit a dynamická analýza točivého momentu je jedinou efektivní metodou.

6. Analýza připojení: tento modul umožňuje zobrazit průběhy napětí a proudů, dále detailní údaje k nerovnováze napětí a proudů v kladné sekvenci (zrychlování) a záporné sekvenci (zpomalování) a také hodnoty impedance. Navíc umožňuje zobrazit fázorový diagram napětí a proudů.

7. Analýza frekvenčních měničů (VFD): tento volitelný modul je užitečný pro analýzu točivých strojů napájených z frekvenčních měničů. Umožňuje zobrazení průběhů napětí a proudů pro každou fázi a dále poskytuje pomocí grafických průběhů možnost analyzovat dynamické chování (časovou závislost) napěťové úrovně, točivého momentu, frekvence a otáček.

Případové studie závad točivých strojů identifikovaných pomocí dynamické analýzy

Uvedené případy jsou jen dva vybrané příklady ilustrující vysokou přidanou hodnotu dynamické analýzy pro provozovatele kritických točivých strojů. Na základě měření proudů a napětí a komplexní softwarové analýzy umožňuje dynamická diagnostika identifikovat neoptimální podmínky na straně napájení, samotného motoru, stejně tak na straně zátěže a pomáhá tak odhalit skutečné příčiny, které v konečném důsledku často vedou k urychlené degradaci izolace statorového vinutí nebo ke snížené efektivitě fungování daného stroje. Dynamická analýza tak představuje významnou komplementární metodu prediktivní údržby točivých strojů, spolu s vibrodiagnostikou a statickým testováním statorové izolace. Pro provozovatele, u kterých je kritičnost točivých strojů natolik vysoká, že se nechtějí spoléhat na periodickou aplikaci dynamického měření za provozu v stanoveném časovém intervalu, je k dispozici také možnost permanentně nainstalovaného monitoringu (systém NetEP) s automatickým alarmováním při překročení limitních hodnot některého z měřených a kalkulovaných parametrů, fungujícího přesně na stejné bázi dynamického měření a vyhodnocování, jako analyzátor Megger Baker EXP4000.

Tab. 2. Případová studie 1

Tab. 3. Případová studie 2

www.megger.cz

www.megger.sk